铜线键合的优势与局限

铜线键合的优势与局限

发布时间：2009-07-12

铜线的优势

随着金价的持续上涨（目前每盎司已超过800美元），金线的价格也不断高升。虽然采用金线和铜线的制造成本基本是一样的，但是金线的材料成本却要高得多。根据市场的行情，1mil 铜线能够节省成本高达75%，2mil 的铜线高达90%。在功率封装中，要求使用大直径导线来达到电力负荷，这样铜线就可以为半导体封装公司节约相当可观的成本费用。即使对于具有多达1000根（每根长达6 米）的某些精确节距封装，采用铜线也可以明显降低成本。例如，一个精确节距QFP 或BGA 封装可能需要5 米多长的导线，而采用铜线来代替金线就可以降低大量的成本。

除了较低的成本外，铜线优良的机械和电学特性使它可以用在具有更高引线数和更小焊盘尺寸的各种高端精确节距器件中。由于铜比金和铝的强度高50%，刚度高30%，所以它能提高优良球颈的抗拉强度，并在低长环的塑膜或封装期间能更好的控制环。更高的抗拉强度使在精确节距应用中的一些操用于精确节距工艺的作变得更加容易。

在导线直径相同的情况下，铜的导电性要高出23%，这样在获得同等的导电性时，可采用更细的铜线。所以，更细的铜导线可以取代更粗直径的金线功率器件，铜线的这部分提高的导电性具有明显优势。在精确节距封装中，采用铜就可以使用更细的导线而不会影响电学性能。

在铜线键合中金属间的生长也比在金线键合中的生长慢得多，这样，在IC 寿命周期内，可以增加键合稳定性和器件性能。铜- 铝金属间也会形成化合物，但比形成金- 铝金属间化合物所需的温度高。随着目前器件工作温度变得更高，更慢的金属间化合物生长速率、更高的强度和更优良的电和热传导性这些优势结合起来，就为超精确节距、高可靠性线键合提供了一种效果优异，成本低廉的方法。

克服铜的局限性

虽然铜有着许多优势，但它本身也有两个值得注意的局限点：硬度大和易被腐蚀。由于铜本身的硬度比金大（纯度99.99% 的退火过的铜要比纯度99.99% 的掺杂金的硬度大很多），所以铜更容易损坏微芯片的表面。由于铜线本身比金线不容易变形，所以它对焊盘的应力更大。含有更精确导线、低K 介质和BOAC 的更新型的器件结构要求灵敏的键合条件。

铜很容易腐蚀和发生相互反应。在自由空气小球形成期间的铜氧化反应会导致导线键合球的大小和形状发生变化。大小和形状的改变会产生不规则键合，会使键合力和焊盘形变很难控制。为了消除氧化反应的影响，铜必须被一层封装胶囊保护起来以提供可靠的互连接。

由于铜氧化得很快，所以与铜相关的储存和产品寿命周期也面临着挑战。改进的设备和材料为了解决这些问题，制造商们已经研制出了新材料来增强铜线的性能，尤其在精确节距应用中。新的合金导线（DHF 和Icu）已被引进，它具有更长的货架期，而且在导线键合点上，它被暴露于环境条件下也不会使焊球结构发生衰变。被引进市场的一种新的更软的铜键合线有助于降低IC 焊盘的应力，从而显着提高第二键合的强度。对铜线来说，第二键合强度是一个典型的很有利用前景的属性，尤其在精确节距应用中。与普通的铜线相比，这种新的更软的铜线获得了高达35% 的更高的第二键合拉力响应，并且增加了键合的稳健性。

为了在易腐蚀的条件下获得更长的使用寿命，毛细管已被设计和优化并沿着铜线起作用。为金线设计的普通毛细管不能经受铜线的力，导致了铜线寿命期缩短。这反过来不仅需要停机时间来替换毛细管，还增加了材料的成本。专门为铜线键合研制的新型毛细管具有独特的几何设计特征和材料表面特性，可以获得一致性和稳定性高的精确的铜线第二键合，同时还保持了全部铜线键合工艺的质量。研制这种毛细管是为了补偿铜的固有易腐蚀性在工程技术上所面临的挑战，这种毛细管可以确保用于优质工艺控制和生产的第一和第二键合质量。

为了不采用新的焊线机，制造商已经开发出了铜升级包，以使现有的改进焊线机在工作条件改变的情况下能够继续进行铜线焊接工作。这一策略使制造商们可以把铜线用于高生长、大容量的产品中，从而进入低成本市场。

铜升级包一方面可以使现有的焊线机在密封的环境中生成未被氧化的铜焊球。要获得高成品率高可靠性键合就必须形成未被氧化的铜焊球。当对焊线机进行改进时，电子燃烧熄灭（Electronic Flame Off）硬件可以在焊球形成期间通过减少导线周围的气体来提供一种无氧环境。通过在这种气体传输系统的密封环境中进行键合，采用最少的气体就可以形成完美的焊球。

升级包另一方面含有一个接触探测系统，它可以更好地控制键合力和进行接触保护。这对硬的铜焊球是一个优势，因为该焊线机向下时可以保护表面而不会把焊球压入表层中。

把这些优化方法（即更软的铜线，优化的毛细管和改进的工具包）综合在一起，公司就可为前面所陈述的铜线键合在精确节距应用中所面临的挑战提供一种完整的工艺解决方案。

预测

虽然在20 世纪80 年代晚期和90 年代早期，几乎每个半导体制造商都在开展铜线键合研制工作，但由于成品率的问题和铜线的一些局限性，他们都没能够进入大批量的IC 制造业中。键合工艺的优化和在铜线和支持设备上的重要改进使铜线键合性能可以达到或超过可比的金线键合。这将使铜不仅应用在功率封装中，还将扩展到引线众多的封装中，例如QFP、BGA、易被金属化的器件和有源电路上的键合（BOAC）。

在引线数更多的封装中，衬底的成本已降到了一定的极限，现在导线占封装预算的一大部分。由于低成本和高功率器件的市场竞争非常激烈，所以目前极小的成本优势也会受到关注。铜所带来的成本的降低及它的机械和电学优势将为制造商们创造一个竞争的空间，使他们把铜线作为主要材料来生产低成本的器件。

铜丝键合工艺在微电子封装中的应用

铜丝键合工艺在微电子封装中的应用 赵钰 1引言 当今半导体行业的一些显著变化直接影响到IC互连技术，其中有3大因素推动着互连技术的发展。第一是成本，也是主要因素，目前金丝键合长度超过5mm，引线数达到400以上，封装成本超过0.20美元。而采用铜丝键合新工艺不但能降低器件制造成本，而且其互连强度比金丝还要好。它推动了低成本、细间距、高引出端数器件封装的发展。第二是晶片线条的尺寸在不断缩小，器件的密度增大、功能增强。这就需要焊区焊点极小的细间距、高引出端数的封装来满足上述要求。第三是器件的工作速度，出现了晶片铝金属化向铜金属化的转变。因为晶片的铜金属化可以使电路密度更高、线条更细。对于高速器件的新型封装设计来说，在封装市场上选择短铜丝键合并且间距小于50μm的铜焊区将成为倒装焊接工艺强有力的竞争对手。表1列出铜作为键合材料用于IC封装中的发展趋势。 表1材料组合 细引线晶片上的焊区金属化应用时间 铜（Cu）Al 1989年 金(Au) Cu＋溅射铝(Al)的焊区 2000年 Au Cu＋镀镍/金(Ni/Au)焊区2000年 Au Cu＋OP2(抗氧化工艺) 2001年 Cu Cu 2002年～将来 2铜丝键合工艺的发展 早在10年前，铜丝球焊工艺就作为一种降低成本的方法应用于晶片上的铝焊区金属化。当时，行业的标准封装形式为18个～40个引线的塑料双列直插式封装，其焊区间距为150μm～200μm，焊球尺寸为100μm～125μm，丝焊的长度很难超过3mm。与现在的金丝用量相比，在当时的封装中金丝用得很少。所以，实际上金的价格并不是主要问题。此外，在大批量、高可靠的产品中，金丝球焊工艺要比铜丝球焊工艺更稳定更可靠。然而，随着微电子行业新工艺和新技术的出现及应用，当今对封装尺寸和型式都有更高、更新的要求。首先是要求键合丝更细，封装密度更高而成本更低。一般在细间距的高级封装中，引出端达500个，金丝键合长度大于5mm，其封装成本在0.2美元以上。与以前相比，丝焊的价格成为封装中的重要问题。表2列出铜和金的封装成本比较。由此，专家们又看中了铜丝，在经过新工艺如新型EFO(电子灭火)、OP2(抗氧化工艺)及MRP(降低模量工艺)（这些工艺在下文中将作详细说明）的改进后，使铜丝键合比金丝键合更牢固、更稳定。尤其是在大批量的高引出数、细间距、小焊区的IC封装工艺中，成为替代 金丝的最佳键合材料。 表2长5mm、直径为1μm的金丝和铜丝封装成本比较

铜线键合注意

铜丝键合工艺及操作注意事项 对键合铜丝产生弹坑问题的相关原理的解释 键合铜丝作为微电子工业的新型材料,已经成功替代键合金丝应用于半导体器件后道封装中。随着单晶铜材料特性的提升和封装键合工艺技术及设备的改进,铜丝在硬度，延展性等指标方面已逐渐适应了半导体的封装要求。其应用已从低端产品向中高端多层线、小间距焊盘产品领域扩展。因而，在今后的微电子封装发展中，铜丝焊将会成为主流技术。采用铜丝键合工艺不但能降低半导体器件制造成本，更主要的是作为互连材料，铜的物理特性优于金。目前，铜丝键合工艺中有两个方面应予以高度重视：一是铜丝储存及使用条件对环境要求高，特别使用过程保护措施不当易氧化；二是铜丝材料特性选择、夹具选择、设备键合参数设置不当在生产制造中易造成芯片焊盘铝挤出、破裂、弹坑、焊接不良等现象发生，最终将导致产品电性能及可靠性问题而失效。因此，铜丝键合应注意以下工艺操作事项及要求，以确保铜丝键合的稳定及可靠性。 1、铜焊线的包装和存放：铜具有较强的亲氧性，在空气中铜丝容易氧化，所以铜丝必须存放于密封的包装盒中以减少环境空气中带来的氧化现象。于是要求各卷铜焊线必须采用吸塑包装，并在塑料袋内单独密封。贮藏时间一般为在室温（20～25℃）下4～6个月。铜丝一旦打开包装放于焊线机上，铜丝暴露于空气中即可产生氧化。原则上要求拆封的铜丝在48小时（包括焊线机上的时间）内用完为好，最长不超过72小时。 2、惰性保护气体：对于铜丝球焊来说，在成球的瞬间,放电温度极高,由于剧烈膨胀,气氛瞬时呈真空状态,但这种气氛很快和周围的大气相混合，常造成焊球变型或氧化。氧化的焊球比那些无氧化层的焊球明显坚硬，而且不易焊接。目前，铜丝键合新型EFO工艺增加了一套铜丝专用装置（K&S公司配置相对封闭的防氧化保护装置），是在成球及楔线过程中增加惰性气体保护功能，以确保在成球的一瞬间与周围的空气完全隔离，以防止焊球氧化。通常保护气体有两种防氧化方式：一种是采用纯度为5个“9”以上的100%氮气作为保护气体；另一种是采用90～95%氮气和5～10%氢气的保

金线和铜线的差别

铜线和金线的优缺点 1 引言丝球焊是引线键合中最具代表性的焊接技术，它是在一定的温度下，作用键合工具劈刀的压力，并加载超声振动，将引线一端键合在IC芯片的金属法层上，另一端键合到引线框架上或PCB便的焊盘上，实现芯片内部电路与外围电路的电连接，由于丝球焊操作方便、灵活、而且焊点牢固，压点面积大（为金属丝直径的2.5－3倍），又无方向性，故可实现高速自动化焊接[1]。丝球焊广泛采用金引线，金丝具有电导率大、耐腐蚀、韧性好等优点，广泛应用于集成电路，铝丝由于存在形球非常困难等问题，只能采用楔键合，主要应用在功率器件、微波器件和光电器件，随着高密度封装的发展，金丝球焊的缺点将日益突出，同时微电子行业为降低成本、提高可靠性，必将寻求工艺性能好、价格低廉的金属材料来代替价格昂贵的金，众多研究结果表明铜是金的最佳替代品[2－6]。 铜丝球焊具有很多优势：（1）价格优势：引线键合中使用的各种规格的铜丝，其成本只有金丝的1/3－1/10。（2）电学性能和热学性能：铜的电导率为0.62（μΩ/cm）－1，比金的电导率[0.42（μΩ/cm）－1]大，同时铜的热导率也高于金，因此在直径相同的条件下铜丝可以承载更大电流，使得铜引线不仅用于功率器件中，也应用于更小直径引线以适应高密度集成电路封装；（3）机械性能：铜引线相对金引线的高刚度使得其更适合细小引线键合；（4）焊点金属间化合物：对于金引线键合到铝金属化焊盘，对界面组织的显微结构及界面氧化过程研究较多，其中最让人们关心的是"紫斑"（AuAl2）和"白斑"（Au2Al）问题，并且因Au和Al两种元素的扩散速率不同，导致界面处形成柯肯德尔孔洞以及裂纹。降低了焊点力学性能和电学性能[7，8]，对于铜引线键合到铝金属化焊盘，研究的相对较少，Hyoung－Joon Kim等人[9]认为在同等条件下，Cu/Al界面的金属间化合物生长速度比Au/Al界面的慢10倍，因此，铜丝球焊焊点的可靠性要高于金丝球焊焊点。 1992年8月，美国国家半导体公司开始将铜丝球焊技术正式运用在实际生产中去，但目前铜丝球焊所占引线键合的比例依然很少，主要是因此铜丝球焊技术面临着一些难点：（1）铜容易被氧化，键合工艺不稳定，（2）铜的硬度、屈服强度等物理参数高于金和铝。键合时需要施加更大的超声能量和键合压力，因此容易对硅芯片造成损伤甚至是破坏。本文采用热压超声键合的方法，分别实现Au引

铜丝引线键合技术的发展

铜丝引线键合技术的发展 摘要铜丝引线键合有望取代金丝引线键合，在集成电路封装中获得大规模应用。论文从键合工艺﹑接头强度评估﹑键合机理以及最新的研究手段等方面简述了近年来铜丝引线键合技术的发展情况，讨论了现有研究的成果和不足，指出了未来铜丝引线键合技术的研究发展方向，对铜丝在集成电路封装中的大规模应用以及半导体集成电路工业在国内高水平和快速发展具有重要的意义。 关键词集成电路封装铜丝引线键合工艺 1.铜丝引线键合的研究意义 目前超过90%的集成电路的封装是采用引线键合技术。引线键合（wire bonding）又称线焊，即用金属细丝将裸芯片电极焊区与电子封装外壳的输入/输出引线或基板上的金属布线焊区连接起来。连接过程一般通过加热﹑加压﹑超声等能量借助键合工具（劈刀）实现。按外加能量形式的不同，引线键合可分为热压键合﹑超声键合和热超声键合。按劈刀的不同，可分为楔形键合（wedge bonding）和球形键合(ball bonding)。目前金丝球形热超声键合是最普遍采用的引线键合技术，其键合过程如图1所示。 由于金丝价格昂贵﹑成本高，并且Au/Al金属学系统易产生有害的金属间化合物，使键合处产生空腔，电阻急剧增大，导电性破坏甚至产生裂缝，严重影响接头性能。因此人们一直尝试使用其它金属替代金。由于铜丝价格便宜，成本低，具有较高的导电导热性，并且金属间化合物生长速率低于Au/Al，不易形成有害的金属间化合物。近年来，铜丝引线键合日益引起人们的兴趣。 但是，铜丝引线键合技术在近些年才开始用于集成电路的封装，与金丝近半个世纪的应用实践相比还很不成熟，缺乏基础研究﹑工艺理论和实践经验。近年来许多学者对这些问题进行了多项研究工作。论文将对铜丝引线键合的研究内容和成果作简要的介绍，并从工艺设计和接头性能评估两方面探讨铜丝引线键合的研究内容和发展方向。

LED 铜线和金线的优缺点

这里有一份铜线和金线的详细试验结果与分析 1引言 丝球焊是引线键合中最具代表性的焊接技术，它是在一定的温度下，作用键合工具劈刀的压力，并加载超声振动，将引线一端键合在IC 芯片的金属法层上，另一端键合到引线框架上或PCB便的焊盘上，实现芯片内部电路与外围电路的电连接，由于丝球焊操作方便、灵活、而且焊点牢固，压点面积大（为金属丝直径的2.5－3倍），又无方向性，故可实现高速自动化焊接[1]。 丝球焊广泛采用金引线，金丝具有电导率大、耐腐蚀、韧性好等优点，广泛应用于集成电路，铝丝由于存在形球非常困难等问题，只能采用楔键合，主要应用在功率器件、微波器件和光电器件，随着高密度封装的发展，金丝球焊的缺点将日益突出，同时微电子行业为降低成本、提高可靠性，必将寻求工艺性能好、价格低廉的金属材料来代替价格昂贵的金，众多研究结果表明铜是金的最佳替代品[2－6]。 铜丝球焊具有很多优势： （1）价格优势：引线键合中使用的各种规格的铜丝，其成本只有金丝的1/3－1/10。 （2）电学性能和热学性能：铜的电导率为0.62（μΩ/cm）－1，比金的电导率[0.42（μΩ/cm）－1]大，同时铜的热导率也高于金，因此在直径相同的条件下铜丝可以承载更大电流，使得铜引线不仅用于功率器件中，也应用于更小直径引线以适应高密度集成电路封装；

（3）机械性能：铜引线相对金引线的高刚度使得其更适合细小引线键合； （4）焊点金属间化合物：对于金引线键合到铝金属化焊盘，对界面组织的显微结构及界面氧化过程研究较多，其中最让人们关心的是"紫斑"（AuAl2）和"白斑"（Au2Al）问题，并且因Au和Al两种元素的扩散速率不同，导致界面处形成柯肯德尔孔洞以及裂纹。降低了焊点力学性能和电学性能[7，8]，对于铜引线键合到铝金属化焊盘，研究的相对较少，Hyoung－JoonKim等人[9]认为在同等条件下，Cu/Al 界面的金属间化合物生长速度比Au/Al界面的慢10倍，因此，铜丝球焊焊点的可靠性要高于金丝球焊焊点。 1992年8月，美国国家半导体公司开始将铜丝球焊技术正式运用在实际生产中去，但目前铜丝球焊所占引线键合的比例依然很少，主要是因此铜丝球焊技术面临着一些难点： （1）铜容易被氧化，键合工艺不稳定， （2）铜的硬度、屈服强度等物理参数高于金和铝。键合时需要施加更大的超声能量和键合压力，因此容易对硅芯片造成损伤甚至是破坏。 本文采用热压超声键合的方法，分别实现Au引线和Cu引线键合到Al-1％Si-0.5％Cu金属化焊盘，对比考察两种焊点在200℃老化过程中的界面组织演变情况，焊点力学性能变化规律，焊点剪切失效模式和拉伸失效模式，分析了焊点不同失效模式产生的原因及其和力学性能的相关关系。

铜丝在引线键合技术的发展及其合金的应用

铜丝在引线键合技术的发展及其合金的应用 一、简介 目前超过90%的集成电路的封装是采用引线键合技术,引线键合,又称线焊。即用金属细丝将裸芯片电极焊区与电子封装外壳的输入，输出引线或基板上的金属布线焊区连接起来。连接过程一般通过加热、加压、超声等能量，借助键合工具“劈刀”实现。按外加能量形式的不同，引线键合可分为热压键合、超声键合和热超声键合。按劈刀的不同，可分为楔形键合和球形键合。 引线键合工艺中所用导电丝主要有金丝、铜丝和铝丝，由于金丝价格昂贵、成本高，并且Au/Al金属学系统易产生有害的金属间化合物，使键合处产生空腔，电阻急剧增大，导电性破坏甚至产生裂缝，严重影响接头性能。因此人们一直尝试使用其它金属替代金，由于铜丝价格便宜、成本低、具有较高的导电导热性，并且Cu/Al金属间化合物生长速于Au/Al，不易形成有害的金属间化合物。近年来，铜丝引线键合日益引起人们的兴趣。 二、铜丝键合的工艺 当今，全球的IC制造商普遍采用3种金属互连工艺，即：铜丝与晶片铝金属化层的键合工艺，金丝与晶片铜金属化层的键合工艺以及铜丝与晶片铜金属化层的键合工艺。近年来第一种工艺用得最为广泛，后两者则是今后的发展方向。 1. 铜丝与晶片铝金属化层的键合工艺 近年来，人们对铜丝焊、劈刀材料及新型的合金焊丝进行了一些新的工艺研究，克服了铜易氧化及难以焊接的缺陷。采用铜丝键合不但使封装成本下降，更主要的是作为互连材料，铜的物理特性优于金。特别是采用以下’3种新工艺，更能确保铜丝键合的稳定性。 （1）充惰性气体的EFO工艺：常规用于金丝球焊工艺中的EFO是在形成焊球过程中的一种电火花放电。但对于铜丝球焊来说，在成球的瞬间，放电温度极高，由于剧烈膨胀，气氛瞬时呈真空状态，但这种气氛很快和周围的大气相混合，常造成焊球变形或氧化。氧化的焊球比那些无氧化层的焊球明显坚硬，而且不易焊接。新型EFO工艺是在成球过程中增加惰性气体保护功能，即在一个专利悬空管内充入氮气，确保在成球的一瞬间与周围的空气完全隔离，以防止焊球氧化，焊球质量极好，焊接工艺比较完善。这种新工艺不需要降低周围气体的含氧量，用通用的氮气即可，因此降低了成本。

铜线键合氧化防止技术

铜线键合氧化防止技术 [摘要] 铜线以其相较传统金线更加良好的电器机械性能和低成本特点，在半导体引线键合工艺中开始广泛应用。但铜线易氧化的特性也在键合过程中容易带来新的失效问题。文中对这种失效机理进行了分析，并对防止铜线键合氧化进行了实验和研究。 [关键词] 铜线键合氧化失效 1、引言 半导体引线键合（Wire Bonding）的目的是将晶片上的接点以极细的连接线（18～50um）连接到导线架的内引脚或基板的金手指，进而籍此将IC晶片之电路讯号传输到外界。引线键合所使用的连接线一般由金制成。近年来，金价显著提升，而半导体工业对低成本材料的需求更加强烈。铜线已经在分离器件和低功率器件上成功应用。随着技术的进步，细节距铜引线键合工艺已得到逐步的改进与完善。铜作为金线键合的替代材料已经快速取得稳固地位。但由于铜线自身的高金属活性也在键合过程中容易带来新的失效问题。 引线键合技术又称为焊线技术，根据工艺特点可分为超声键合、热压键合和热超声键合。由于热超声健合可降低热压温度，提高键合强度，有利于器件可靠性，热超声键合已成为引线键合的主流。本文所讨论的内容皆为采用热超声键合。 2、铜线键合的优势与挑战 与金线连接相比，铜线连接主要有着成本低廉并能提供更好电气性能的优点。最新的研究工作已经扩展到了多节点高性能的应用。这些开发工作在利用铜线获得成本优势的同时，还要求得到更好的电气性能。随着半导体线宽从90纳米降低到65甚至45纳米,提高输入输出密度成为必需，要提高输入输出密度需要更小键合间距，或者转向倒装芯片技术。铜线连接是一个很好的解决方案，它可以规避应用倒装芯片所增加的成本。以直径20um为例，纯铜线的价格是同样直径的金线的10％左右，镀钯铜线的价格略高，但仍仅是同样直径的金线的20％左右。 如图1所示，除了较低的材料成本之外，铜线在导电性方面也优于金线。就机械性能而言，根据Khoury等人的剪切力和拉伸力实验，铜线的强度都大于金线的强度。而实验结果显示铜线的电阻率是 1.60 (μΩ/cm)，电导率是0.42 (μΩ/cm)-1. 这些结果说明铜线比金线导电性强33%。铜线形成高稳定线型的能力强过金线，特别是在模压注塑的过程中，当引线受到注塑料的外力作用时，铜线的稳定性强过金线。原因是因为铜材料的机械性能优于金材料的机械性能。 另一方面，由于铜线自身的高金属活性，铜线在高压烧球时极易氧化。氧化物的存在对于键合的结合强度是致命的。氧化铜阻碍铜与铝电极之间形成共金化

试谈半导体铜线工艺流程图

? ? 半导体铜线工艺流程 时间:2010-09-03 剩余:0天浏览: 37 次收藏该信息 一、铜线键合工艺

A、铜线工艺对框架的特殊要求-------铜线对框架的的要求主要有以下几点： 1、框架表面光滑，镀层良好； 2、管脚共面性良好，不允许有扭曲、翘曲等不良现象 管脚粗糙和共面性差的框架拉力无法保证且容易出现翘丝和切线造成的烧球不良，压焊过程中容易断丝及出现tail too short ； B、保护气体----安装的时候保证E-torch上表面和right nozzle 的下表面在同一个平面上．才能保证烧球的时候，氧化保护良好．同时气嘴在可能的情况下尽量靠近劈刀，以 保证气体最大围的保护 C、劈刀的选用——同金线相比较，铜线选用劈刀差别不是很大，但还是有一定的差异： 1、铜线劈刀T 太小2nd容易切断，造成拉力不够或不均匀 2、铜线劈刀CD不能太大，也不能太小，不然容易出现不粘等现象 3、铜线劈刀H与金线劈刀无太大区别（H比铜丝直径大8µm即可，太小容易从颈部拉断） 4、铜线劈刀CA太小线弧颈部容易拉断，太大易造成线弧不均匀； 5、铜线劈刀FA选用一般要求8度以下（4-8度） 6、铜线劈刀OR选用小异 D压焊夹具的选用 铜线产品对压焊夹具的选用要求非常严格，首先夹具制作材料要选用得当，同时夹具表面要光滑，要保证载体和管脚无松动要，否则将直接影响产品键合过程中烧球不良、断线、翘丝等一系列焊线问题。 二、铜线的特性及要求 切实可行的金焊线替代产品。 细铜焊线（<1.3mil） 铜焊线，机械、电气性质优异，适用于多种高端、微间距器件，引线数量更高、焊垫尺寸更小。 铜焊线（1.3-4mil） 铜焊线，不仅具有铜焊线显著的成本优势，而且降低了铜焊点中的金属间生长速度，这样就为大功率分立封装带来了超一流的可靠性。 铜焊线的成本优势 由于铜的成本相对较低，因此人们更愿意以铜作为替代连接材料。对于1mil焊线，成本最高可降低75%*，2mil可达90%*，具体则取决于市场状况。 铜焊线的优异性能 铜线的导热导电性能显著优于金线和铝线，因此能够以更细的焊线直径达到更好的散热性能及更高的额定功率。与金相比，铜的机械性质更强，这样在模压和封闭过程中可以得到优异的球颈强度和较高的弧线稳 铜焊线的优点（与金焊线相比） 材料成本低 • 降低单位封装成本，提高

新型半导体封装材料--键合铜丝产业化融资投资立项项目可行性研究报告(中撰咨询)

新型半导体封装材料－－键合铜丝产业化立项投资融资项目 可行性研究报告 (典型案例〃仅供参考) 广州中撰企业投资咨询有限公司

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目录 第一章新型半导体封装材料－－键合铜丝产业化项目概论 (1) 一、新型半导体封装材料－－键合铜丝产业化项目名称及承办单位 .. 1 二、新型半导体封装材料－－键合铜丝产业化项目可行性研究报告委托编制单位 (1) 三、可行性研究的目的 (1) 四、可行性研究报告编制依据原则和范围 (2) （一）项目可行性报告编制依据 (2) （二）可行性研究报告编制原则 (2) （三）可行性研究报告编制范围 (4) 五、研究的主要过程 (5) 六、新型半导体封装材料－－键合铜丝产业化产品方案及建设规模 .. 6 七、新型半导体封装材料－－键合铜丝产业化项目总投资估算 (6) 八、工艺技术装备方案的选择 (6) 九、项目实施进度建议 (6) 十、研究结论 (7) 十一、新型半导体封装材料－－键合铜丝产业化项目主要经济技术指标 (9) 项目主要经济技术指标一览表 (9) 第二章新型半导体封装材料－－键合铜丝产业化产品说明 (15) 第三章新型半导体封装材料－－键合铜丝产业化项目市场分析预测 (15) 第四章项目选址科学性分析 (16) 一、厂址的选择原则 (16) 二、厂址选择方案 (17) 四、选址用地权属性质类别及占地面积 (17)

五、项目用地利用指标 (17) 项目占地及建筑工程投资一览表 (18) 六、项目选址综合评价 (19) 第五章项目建设内容与建设规模 (20) 一、建设内容 (20) （一）土建工程 (20) （二）设备购臵 (20) 二、建设规模 (21) 第六章原辅材料供应及基本生产条件 (21) 一、原辅材料供应条件 (21) （一）主要原辅材料供应 (21) （二）原辅材料来源 (21) 原辅材料及能源供应情况一览表 (22) 二、基本生产条件 (23) 第七章工程技术方案 (24) 一、工艺技术方案的选用原则 (24) 二、工艺技术方案 (25) （一）工艺技术来源及特点 (25) （二）技术保障措施 (25) （三）产品生产工艺流程 (26) 新型半导体封装材料－－键合铜丝产业化生产工艺流程示意简图 (26) 三、设备的选择 (27) （一）设备配臵原则 (27) （二）设备配臵方案 (28) 主要设备投资明细表 (28) 第八章环境保护 (29) 一、环境保护设计依据 (29)

WB铜线工艺

铜线键合工艺2 Y( O% Q9 h9 l& \$ a0 ?4 U2 B A、铜线工艺对框架的特殊要求-------铜线对框架的的要求主要有以下几点：7 P. @ \9 Y# X3 a! 1、框架表面光滑，镀层良好；* y/ I! I; ~) M# \' F7 a3 k3 W5 x6 j( h; _5 H3 Z% A1 Q I 2、管脚共面性良好，不允许有扭曲、翘曲等不良现象 管脚粗糙和共面性差的框架拉力无法保证且容易出现翘丝和切线造成的烧球不良，压焊过程中容易断丝及出现tail too short ； B、保护气体----安装的时候保证E-torch上表面和right nozzle 的下表面在同一个平面上．才能保证烧球的时候，氧化保护良好．同时气嘴在可能的情况下尽量靠近劈刀，以保证气体最大范围的保护 C、劈刀的选用——同金线相比较，铜线选用劈刀差别不是很大，但还是有一定的差异： 1、铜线劈刀T 太小2nd容易切断，造成拉力不够或不均匀 2、铜线劈刀CD不能太大，也不能太小，不然容易出现不粘等现象 3、铜线劈刀H与金线劈刀无太大区别（H比铜丝直径大8µm即可，太小容易从颈部拉断） 4、铜线劈刀CA太小线弧颈部容易拉断，太大易造成线弧不均匀；! U. L. c P& f, H9 V- h8 X+ K 5、铜线劈刀FA选用一般要求8度以下（4-8度） 6、铜线劈刀OR选用大同小异 D压焊夹具的选用4 @: n* Y/ `9 l- X4 k 铜线产品对压焊夹具的选用要求非常严格，首先夹具制作材料要选用得当，同时夹具表面要光滑，要保证载体和管脚无松动要，否则将直接影响产品键合过程中烧球不良、断线、翘丝等一系列焊线问题。c( P% B1 W 二、铜线的特性及要求 切实可行的金焊线替代产品。 铜焊线，机械、电气性质优异，适用于多种高端、微间距器件，引线数量更高、焊垫尺寸更小。) l: @( H" f) M 铜焊线，不仅具有铜焊线显著的成本优势，而且降低了铜焊点中的金属间生长速度，这样就为大功率分立封装带来了超一流的可靠性。 铜焊线的成本优势：由于铜的成本相对较低，因此人们更愿意以铜作为替代连接材料。对于1mil焊线，成本最高可降低75%*，2mil可达90%*，具体则取决于市场状况。 铜焊线的优异性能：铜线的导热导电性能显著优于金线和铝线，因此能够以更细的焊线直径达到更好的散热性能及更高的额定功率。与金相比，铜的机械性质更强，这样在模压和封闭过程中可以得到优异的球颈强度和较高的弧线稳铜焊线的包装与存放& {& z4 t! p2 K* T4 D铜具有较强的亲氧性，因此必须对铜焊线进行保护以延长其保存期。为此各卷铜焊线均采用吸塑包装，并在塑料袋内单独密封; 除了以上优点为，铜线还有以下特性： 1.铜线易氧化，原则上拆封的铜线48小时用完。 2.铜线硬度高，容易产生弹坑、不粘、断丝、、烧球不良K: t$ w4 ]; {% q5 M 三、铜线和金线在键合工艺参数的区别6 ~, z( W' g: f6 H7 i; H9 \ 1.铜线压焊工艺参数与金线相比较最大的变化是加大了contact force，以增加产品的可焊性，为了减小弹坑风险，一般情况下1mil以下铜线采用LOW-Power模式，而1.2mil以上一般采用High-power模式 球不良原因：吹气保护不好 铜线开封后防止时间太长．线有氧化（７２小时） Tail length 不稳定导致烧球不好 Capillary 选择型号不对

键合铜丝

单晶铜丝 各种音频视频信号在传输过程中通过晶界时,都会产生反射、折射等现象使信号变形、失真衰减,而单晶铜极少的晶界或无晶界使传输质量得到根本改善。因此,单晶铜在音视频信号传输方面得到广泛的应用。同样情况，由于芯片输入已高达数千输入引脚的大量增加，使原来的金、铝键合丝的数量及长度也大大增加，致使引线电感、电阻很高，从而也难以适应高频高速性能的要求，在这种情况下，我们同样采取了性价比都优于金丝的单晶铜（ф0.018mm）进行了引线键合，值得可贺的是键合后结果取得了预想不到的成功。作为半导体封装的四大基础材料之一的键合金丝，多年来虽然是芯片与框架之间的内引线，是集成电路封装的专用材料，但是随着微电子工业的蓬勃发展，集成电路电子封装业正快速的向体积小，高性能，高密集，多芯片方向推进，从而对集成电路封装引线材料的要求特细（¢0.016mm），而超细的键合金丝在键合工艺中已不能胜任窄间距、长距离键合技术指标的要求。 特别令我们高兴的是，这种期待与渴望，在“2007年中国半导体封装测试技术与市场研讨会”上，我们公司的单晶铜键合引线新产品被行业协会的专家“发现”，并立即得到大会主席及封装分会理事长毕克允教授的充分肯定和支持。其集成度也达到数千万只晶体管至数亿只晶体管，布线层数由几层发展至10层，布线总长度可高达1.4Km。

作为导体主要材料的铜线,线径要求也越来越细,无氧铜杆由于其多晶组织,就不可避免存在缺陷及在晶界处的氧化物等,从而影响其进一步的拉细加工目前单晶铜线最细可拉到直径0.016mm，基本满足最高要求。为促进技术成果尽快向产业化转移，促进生产力的发展，为此，我们一直期待着能早日为集成电路封装业高尖端技术的应用做出应有的贡献。随着电子工业的迅猛发展,各种电子元件都趋向于微型化、轻量化。 集成电路时信息产品的发展基础，信息产品是集成电路的应用和发展的动力。特别是低弧度超细金丝，大部份主要依赖于进口，占总进口量的45%以上。从此我们将在分会的领导下，将这一新兴的单晶铜键合丝新产品尽早做强做大，走在全国的前列并瞄准国际市场，以满足即将到来的单晶铜键合引线的大量需求。 近几年来，根据国内外集成电路封装业大踏步的快速发展，我公司紧跟这一发展趋势，在全国率先研发生产出单晶铜键合丝，其直径规格最小为ф0.016mm，可达到或超过传统键合金丝引线ф0.025mm 和缉拿和硅铝丝ф0.040mm质量水平。

铜线键合的优势与局限

铜线键合的优势与局限 发布时间：2009-07-12 铜线的优势 随着金价的持续上涨（目前每盎司已超过800美元），金线的价格也不断高升。虽然采用金线和铜线的制造成本基本是一样的，但是金线的材料成本却要高得多。根据市场的行情，1mil 铜线能够节省成本高达75%，2mil 的铜线高达90%。在功率封装中，要求使用大直径导线来达到电力负荷，这样铜线就可以为半导体封装公司节约相当可观的成本费用。即使对于具有多达1000根（每根长达6 米）的某些精确节距封装，采用铜线也可以明显降低成本。例如，一个精确节距QFP 或BGA 封装可能需要5 米多长的导线，而采用铜线来代替金线就可以降低大量的成本。 除了较低的成本外，铜线优良的机械和电学特性使它可以用在具有更高引线数和更小焊盘尺寸的各种高端精确节距器件中。由于铜比金和铝的强度高50%，刚度高30%，所以它能提高优良球颈的抗拉强度，并在低长环的塑膜或封装期间能更好的控制环。更高的抗拉强度使在精确节距应用中的一些操用于精确节距工艺的作变得更加容易。 在导线直径相同的情况下，铜的导电性要高出23%，这样在获得同等的导电性时，可采用更细的铜线。所以，更细的铜导线可以取代更粗直径的金线功率器件，铜线的这部分提高的导电性具有明显优势。在精确节距封装中，采用铜就可以使用更细的导线而不会影响电学性能。 在铜线键合中金属间的生长也比在金线键合中的生长慢得多，这样，在IC 寿命周期内，可以增加键合稳定性和器件性能。铜- 铝金属间也会形成化合物，但比形成金- 铝金属间化合物所需的温度高。随着目前器件工作温度变得更高，更慢的金属间化合物生长速率、更高的强度和更优良的电和热传导性这些优势结合起来，就为超精确节距、高可靠性线键合提供了一种效果优异，成本低廉的方法。 克服铜的局限性 虽然铜有着许多优势，但它本身也有两个值得注意的局限点：硬度大和易被腐蚀。由于铜本身的硬度比金大（纯度99.99% 的退火过的铜要比纯度99.99% 的掺杂金的硬度大很多），所以铜更容易损坏微芯片的表面。由于铜线本身比金线不容易变形，所以它对焊盘的应力更大。含有更精确导线、低K 介质和BOAC 的更新型的器件结构要求灵敏的键合条件。 铜很容易腐蚀和发生相互反应。在自由空气小球形成期间的铜氧化反应会导致导线键合球的大小和形状发生变化。大小和形状的改变会产生不规则键合，会使键合力和焊盘形变很难控制。为了消除氧化反应的影响，铜必须被一层封装胶囊保护起来以提供可靠的互连接。

集成电路封装中的引线键合技术研究

集成电路封装中的引线键合技术研究 发表时间：2019-08-30T17:12:20.510Z 来源：《基层建设》2019年第16期作者：吴栋华 [导读] 摘要：本文以集成电路封装系统为研究对象，对其中的引线键合技术的工艺内容进行研究分析。 晟碟信息科技（上海）有限公司上海 200241 摘要：本文以集成电路封装系统为研究对象，对其中的引线键合技术的工艺内容进行研究分析。在简要介绍引线键合技术基础的前提下，分析多种类型的键合技术，并重点在键合技术基础条件上，就温度、时间、键合工具、引线材料、键合机理这四方面内容进行细化说明。 关键词：集成电路；封装处理；引线缝合 引言 集成电路封装技术，受到电气设备高速发展的影响，在行业领域与科技条件的带动下，呈现出了高速率的发展条件。为了适应整体行业的发展状态，需要对其中的技术条件进行升级，尤其在键合技术内容中，需在简要介绍基本概念内容的基础上，引出整体技术应用要点，为相关研究提供参阅材料。 一、引线键合技术概述 引线键合技术，将技术细线作为材料与技术基础，通过对热、压力、超声波等能量条件的利用，实现金属引线与基板焊盘之间的紧密焊合状态。此项技术，是芯片技术领域中极为常见的技术手段，是维护电力互联状态、执行信息通信功能的基础性技术条件。在理性的控制状态下，引线与极板之间，会出现电子共享或原子扩散，并在联众金属间，出现原子量级的键合状态。功能属性上，引线键合技术，将核心元件作为工作对象，对其行使导出与引入功能，以此展示自身技术条件在集成电路封装中的技术应用价值。 二、多类型键合技术分析 集成电路的设置，可以分为多道操作工艺，并在磨片、划片、装片、烘箱、键合、塑封等多项技术工序中，完成整体的技术管理。在IC封装技术条件下，芯片与引线之间的连接状态，是电源与信息号连接的基础，在连接方式上，呈现出倒装焊、载带自动焊、引线键合三种技术类型。在应用条件上，引线键合表现出明显的技术优势。而在传统封装条件下，引线键合技术也表现出一定的特异化内容，通常会使用球形焊接的流程工艺形式。 球形焊接技术，首先要设置第一点焊接，并将其位置固定在芯片表面。然后通过线弧的成型处理，引导出第二点焊接，并将其设置在引线框架或者基板的表面。技术原理上，通过离子化的空气间隙，引导出“电子火焰熄灭”现象，并在形成金属球的过程中，产生所谓的自由空气球，表现出技术条件下独有的特征属性。而在键合处理的过程中，这一技术条件，表现出了明显的精度优势，可以分别在不同的方向上作出补偿控制点，以此保证整体焊接处理的合理状态[1]。 整体角度出发，键合技术需遵照基本的工艺条件设置需求，在基础设备、键合时间、键合温度等多方面内容的控制条件下，保证整体键合操作工艺的合理化状态。尤其在键合机台压与功率的控制上，应尊重超声功率的基本应用条件，将焊线与接触面保持在相对较为松软的条件下，在输入能量的同时，保证物质分子态结构之间的嵌合，完成新形状的塑造。 三、键合技术的基础条件说明 （一）温度条件 温度是控制键合操作的重要指标，对整体技术的应用合理性状态，有着直接且绝对的影响。适当的温度条件，是执行引线键合的基础。在键合处理中，温度所产生的能量条件，会消除在键合接触面中产生的氧化物质，可以有效地提高键合处理的技术效果。针对这一问题，技术领域进行了大量的研究实践分析，并确定了统一的键合操作最优温度状态。通常情况下，将200℃-240℃，作为最优化的键合消耗条件，如果键合处理中的环境温度低于这一温度条件，就无法发挥消除氧化层的技术处理效果。反之，如果高于这一温度区间，对键合技术的应用条件，也会造成危害，并在接触面上，增加出现氧化物的概率。因此，需要对键合的温度进行系统化的控制，使其在相应的温度区间中，维护键合技术处理的有效性，提高整体集成封装技术的适应性条件。 （二）时间条件 键合操作，是一个流程化的技术过程中，虽然所用的时间相对较为短暂，但在整体的键合处理中，也会随着键合点位置的变化，表现出明显的差异性条件。通常情况下，键合处理所消耗的实践越长，键合球吸收的能量也就相对越多，这一条件，直接增加了键合接触界面的直径参数。此时，会对键合界面的强度起到明显的强化效果，但是这种条件也会相应的缩减键合的强度。同时，如果键合的时间过长，会大大的增加键合点的范围，增加键合空洞的形成概率。因此，键合处理的技术过程中，需要对实际技术条件进行分析，在确定具体应用环境的同时，合理控制键合时间，以此保证整体键合处理的有效性，为整体集成电路封装处理的优化奠定基础。 （三）键合工具 引线键合处理中，需要使用特定的提供具设备，在执行能量传递工作的过程中，保证操作界面的良性键合效果。通常情况下，键合设备工具，需要针对键合技术的应用形式，分别对超声波、热量、压力等不同类型的能量形态进行传递了，同时还需要将键合所用的引线材料固定的工具上，以此保证技术操作处理的有效性。而不同的键合处理方法与流程，所选用的键合工具也有所差异[2]。例如，在楔形键合技术中，主要通过楔形劈刀设备，完成键合操作，而其材质，主要由碳钛合金或者钨碳材料组成。又如，在球形键合技术中，会将毛细管劈刀设备作为操作工具，而其材质大多为陶瓷材料，明显的区别于楔形键合设备。另外，无论是哪一种键合工具，其应用中的大小型号，都会对整体键合处理的精度与稳定性状态产生影响，需要得到相关技术人员的重视，并在应用作出必要的调整。 （四）引线材料 引线材料是键合技术处理中的基础，常见的引线多为铜、铝、金等技术材料。铜线的应用最为普遍，在经过键合处理之后，通常无需进行二次封装处理。同时，在使用铜线进行键合处理的过程中，可以有效地降低杂物的出现概率，避免劈刀出现堵塞问题，保证良好的运行状态。在键合处理的过程中，需要重点关注铜丝结构的强度属性与延展性状态，并在优化铜丝纯度的同时，使其应用价值得到保证。另外，在实践过程中发现，在铜丝的引线材料中，适当的加入其它元素的金属物质，会使铜丝在键合处理中发生明显的质量变化，并展现出差异化特征。 以金线为材料基础的键合技术，在实际应用中，也有明显的技术优势，并在封装实务操作中，具有一定代表性。技术操作中，用于金

半导体铜线键合工艺研究

半导体铜线键合工艺研 究 标准化管理处编码[BBX968T-XBB8968-NNJ668-MM9N]

学校代码： 10289 分类号： TN606 密 级： 公开 学 号： 5 江苏科技大学 专业硕士学位论文 （在职攻读专业学位） 半导体铜线键合工艺研究 研究生姓名 汤 振 凯 导师姓名 朱志宇 申请学位类别 工程硕士 学位授予单位 江 苏 科 技 大 学 学科专业 电子与通信工程 论文提交日期 2014年4月19日 研究方向 半导体元器件的球焊工艺 论文答辩日期 2014年6月7日 答辩委员会主席 林明 评 阅 人 2014 年 4月 22 日 论文题目 半 导 体 铜 线 键 合 工 艺 研 究 姓 名 汤振 凯 江 苏 科 技 大 学

分类号： TN606 密级：公开 学号：5 工学硕士学位论文 （工程硕士） 半导体铜线键合工艺研究 学生姓名汤振凯 指导教师朱志宇教授 江苏科技大学 二O一四年四月

A Thesis Submitted in Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Engineering Research of semiconductorcopper wire bonding process Submitted by Tang Zhenkai Supervised by Professor Zhu Zhiyu Jiangsu University of Science and Technology April, 2014

摘要 在当今21世纪，半导体产业蓬勃发展，半导体IC和半导体器件已经在各行各业广为使用，从卫星通信、军事产品、信息工业至普通家用产品、小家电，同时伴随着半导体产业和器件的发展，人们的生活愈来愈便捷和智能。 半导体产业在发展的过程中，分工逐渐精细，而半导体封装产业也成为了一个在半导体产品中占据较大比例的产业，如何能够提高半导体封装的效率和性能，降低成本，就摆在了所有半导体产业人员面前。随着产品的I/O口变多，半导体封装中的键合成本也占据着较大比例，在键合中采取新的材料，新的工艺，在保证产品性能和可靠性的前提下，降低材料成本，是产业发展的一个趋势。 随着设备技术的发展，采用铜丝代替原来的金丝作为焊丝，已经成为了可能。由于金和铜的材料价格存在着较大差异，很多公司和研究人员投入了很大精力，进行各方面的尝试，经过多年的研究，长电科技已经在这方面取得了较大的突破。 本文主要研究用铜丝代替传统的金丝材料，采用新的技术和工艺参数，运用DOE 试验法，找到了最佳的铜线球焊的工艺参数（主要是球焊功率、球焊压力、球焊时间）窗口，加上设备的改进（原有将焊线高温熔化时加上氢气和氮气保护装置），并将做出来的成品与原来的产品进行性能和可靠性的比较，发现铜线球焊产品的主要电性能参数与原来金线产品的参数分布一致，可靠性能还能避免原有的金铝合金的脆化现象，推进了半导体封装产业和半导体器件的不断发展。 关键词球焊；焊接工艺；封装；铜线球焊；可靠性